電腦游戲開發(fā)與編程2

電腦游戲開發(fā)與編程2第1頁/共47頁概述游戲引擎是什么？游戲引擎的特點(diǎn)游戲引擎的功能游戲引擎的歷史游戲引擎的處理流程一些專用術(shù)語2D、2.5D、3D引擎FPS（游戲的）腳本編程常見游戲引擎現(xiàn)在的游戲引擎效果第2頁/共47頁游戲引擎是什么？定義一：游戲引擎，簡而言之，就是控制所有游戲功能的函數(shù)（類）庫，從計(jì)算碰撞、物理系統(tǒng)和物體的相對位置，到接受玩家的輸入，以及按照正確的音量輸出聲音等等。定義二：游戲引擎是一個(gè)為運(yùn)行某一類游戲的機(jī)器設(shè)計(jì)的能夠被機(jī)器識別的代碼（指令）集合。它像一個(gè)發(fā)動機(jī)，控制著游戲的運(yùn)行。一般而言，游戲=（引擎+程序）+資源（圖像、聲音、動畫等）第3頁/共47頁游戲引擎的特點(diǎn)游戲引擎是面向游戲應(yīng)用的，即音效處理、物理效果、圖形效果一個(gè)游戲引擎適用于某一類游戲，引擎的架構(gòu)和通用性越好，適用的操作平臺和游戲類型就越多。第4頁/共47頁引擎制作時(shí)間周期長引擎相當(dāng)于游戲的框架，框架打好后，關(guān)卡設(shè)計(jì)師、建模師、動畫師只要往里填充內(nèi)容就可以了。因此，在3D游戲的開發(fā)過程中，引擎的制作往往會占用非常多的時(shí)間，《馬科斯·佩恩》的MAX-FX引擎從最初的雛形FinalReality到最終的成品共花了四年多時(shí)間，LithTech引擎的開發(fā)共花了整整五年時(shí)間，耗資700萬美元，Monolith公司（LithTech引擎的開發(fā)者）的老板詹森·霍爾甚至不無懊悔地說：“如果當(dāng)初意識到制作自己的引擎要付出這么大的代價(jià)的話，我們根本就不可能去做這種傻事。沒有人會預(yù)料得到五年后的市場究竟是怎樣的?！闭浅鲇诠?jié)約成本、縮短周期和降低風(fēng)險(xiǎn)這三方面的考慮，越來越多的開發(fā)者傾向于使用第三方的現(xiàn)成引擎制作自己的游戲，一個(gè)龐大的引擎授權(quán)市場已經(jīng)形成。第5頁/共47頁游戲引擎的功能—渲染渲染是引擎最重要的功能之一，負(fù)責(zé)處理3D世界的數(shù)據(jù)以玩定或相機(jī)所在的視點(diǎn)渲染3D世界。當(dāng)3D模型制作完畢之后，美工會按照不同的面把材質(zhì)貼圖賦予模型，這相當(dāng)于為骨骼蒙上皮膚，最后再通過渲染引擎把模型、動畫、光影、特效等所有效果實(shí)時(shí)計(jì)算出來并展示在屏幕上。渲染引擎在引擎的所有部件當(dāng)中是最復(fù)雜的，它的強(qiáng)大與否直接決定著最終的輸出質(zhì)量。第6頁/共47頁游戲引擎的功能—動畫其次是動畫，目前游戲所采用的動畫系統(tǒng)可以分為兩種：一是骨骼動畫系統(tǒng)，一是模型動畫系統(tǒng)，前者用內(nèi)置的骨骼帶動物體產(chǎn)生運(yùn)動，比較常見，后者則是在模型的基礎(chǔ)上直接進(jìn)行變形。引擎把這兩種動畫系統(tǒng)預(yù)先植入游戲，方便動畫師為角色設(shè)計(jì)豐富的動作造型。第7頁/共47頁游戲引擎的功能—物理提供物理系統(tǒng)，這可以使物體的運(yùn)動遵循固定的規(guī)律，例如，當(dāng)角色跳起的時(shí)候，系統(tǒng)內(nèi)定的重力值將決定他能跳多高，以及他下落的速度有多快，子彈的飛行軌跡、車輛的顛簸方式也都是由物理系統(tǒng)決定的。

第8頁/共47頁游戲引擎的功能—人工智能（AI）人工智能模塊為游戲中非玩家控制角色的行為和決策提供智能支持。它在現(xiàn)代游戲引擎中越來越重要，直接影響到游戲的可玩性和游戲設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。第9頁/共47頁游戲引擎的功能—硬件負(fù)責(zé)玩家與電腦之間的溝通，處理來自鍵盤、鼠標(biāo)、搖桿和其它外設(shè)的信號。如果游戲支持聯(lián)網(wǎng)特性的話，網(wǎng)絡(luò)代碼也會被集成在引擎中，用于管理客戶端與服務(wù)器之間的通信。第10頁/共47頁游戲引擎的基本架構(gòu)游戲引擎分為兩大部分：引擎核和外部接口引擎核涉及所有的算法，為游戲引擎的主體外部引擎提供了引擎與外部的所有接口，使得開發(fā)者方便地進(jìn)行功能護(hù)展第11頁/共47頁數(shù)學(xué)模塊：提供向量、矩陣、平面、曲面等計(jì)算幾何和圖形學(xué)相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法物理模塊：包含物體的運(yùn)動、摩擦、彈性以及碰撞檢測等第12頁/共47頁游戲引擎的處理流程第13頁/共47頁2D引擎2.5D引擎3D引擎第14頁/共47頁2D引擎2D圖形游戲最顯著的特征是所有圖形元素是以平面圖片的形式制作的，地圖無論是拼接的還是整圖制作，其地表、建筑都是單張的地圖元素構(gòu)成的。而動畫則是以一張一幀的形式預(yù)先存在的。這些圖形元素最終都會以復(fù)雜的聯(lián)系方式在游戲中進(jìn)行調(diào)用而實(shí)現(xiàn)游戲世界中豐富的內(nèi)容第15頁/共47頁3D引擎3D技術(shù)把游戲世界中的每個(gè)物體看作一個(gè)個(gè)立體的對象，由若干個(gè)幾何多邊體構(gòu)成。為了顯示對象，你在文件中存儲的是對對象的描述語句：對象由哪幾個(gè)多邊體組成，它們之間的位置關(guān)系，以及在哪個(gè)部位使用哪個(gè)貼圖等等描述性內(nèi)容。在顯示時(shí)，還得通過程序?qū)@些語句的解釋來實(shí)時(shí)地合成一個(gè)物體。通過若干個(gè)立體幾何和平面幾何公式的實(shí)時(shí)計(jì)算，玩家在平面的顯示器上還能以任意的角度來觀看3D物體。如果構(gòu)成物體的多邊形越多，那么合成時(shí)需要的計(jì)算量就越大。貼圖是一些很小的圖像文件，也被稱為"材質(zhì)"。如果說多邊體是物體的骨架，那么貼圖就是物體的皮膚。即使僅僅是圖形顯示上的變化，在3D引擎下世界構(gòu)成的任何事情也要以3D世界觀來對待。

在3D世界觀中需要了解三件事：

3D的特點(diǎn)

●物體是真實(shí)占有空間的

●任何人的視點(diǎn)（攝像機(jī)）是可以任意移動并改變角度的

●要了解光的運(yùn)用

第16頁/共47頁2.5D同時(shí)具備了2D與3D游戲特點(diǎn)的游戲我們稱之為2.5D游戲。一種是3D的地圖，2D的精靈（角色、npc等），例如《ro仙境傳說》；一種是2D地圖，3D精靈，例如《征服》。但在地圖設(shè)計(jì)制作上，目前還沒有2.5D之說，至多為偽3D。以《最終幻想7》（FF7或太空戰(zhàn)士七）為例，該作的地圖制作采用了3D與偽3D技術(shù)的結(jié)合。在世界地圖上行動時(shí)，使用的是真3D技術(shù)，所以該地圖具備了3D技術(shù)的幾大特點(diǎn)：物體立體占有空間，視角可變換，光照會隨視角移動而變化，而其中最顯而易見的便是視角的變換。而在FF7的場景地圖中，在同一場景中，其視角是不可變的。其實(shí)FF7場景地圖所采用的是3D建模、上材質(zhì)，再進(jìn)行2D渲染整合的偽3D的技術(shù)，這種技術(shù)也可稱為“2D渲染”技術(shù)。偽3D的好處在于比較容易將制作物的質(zhì)感給表現(xiàn)出來，而純2D技術(shù)要做到這一點(diǎn)就需要特別專業(yè)的技術(shù)了。另外，在視角不可變的場景地圖中，F(xiàn)F7卻實(shí)現(xiàn)了精靈（角色、npc）的近大遠(yuǎn)小透視效果。這種效果就是指在有透視（縱伸感）的游戲場景中，移動的角色會隨著場景的向前景或背景方延伸而顯得漸大或漸小。這是需要配合程序方面來進(jìn)行制作的，所以在程序方面會有一定的限制。第17頁/共47頁三大主流商業(yè)游戲引擎UnrealEngine（虛幻）EpicGames《虛幻競技場》系列、《分裂細(xì)胞》系列、《虛擬競技場》等第一人稱射擊游戲，第三人稱動作游戲，角色扮演游戲Doom-QuakeEngineIDLithTechEngineMonolith《F.E.A.R》第18頁/共47頁著名的開源引擎OGRECrystalspaceIrrlichtQuake第19頁/共47頁游戲引擎的歷史引擎的誕生（1992年～1993年）1992年，3DRealms公司/Apogee公司發(fā)布了一款只有2兆多的小游戲——《德軍司令部》（Wolfenstein3D）它在X軸和Y軸的基礎(chǔ)上增加了一根Z軸，在由寬度和高度構(gòu)成的平面上增加了一個(gè)向前向后的縱深空間

第20頁/共47頁《德軍司令部》并非第一款采用第一人稱視角的游戲，在它發(fā)售前的幾個(gè)月，Origin公司就已經(jīng)推出了一款第一人稱視角的角色扮演游戲——《創(chuàng)世紀(jì)：地下世界》（UltimaUnderworld）。《地下世界》的引擎支持斜坡，地板和天花板可以有不同的高度，分出不同的層次，玩家可以在游戲中跳躍，可以抬頭低頭，這些特性Wolfenstein3D引擎都無法做到，而且從畫面上看，《德軍司令部》更接近漫畫風(fēng)格而不是傳統(tǒng)的像素畫面。第21頁/共47頁DOOM引擎是第一個(gè)被授權(quán)的引擎《投影者》、《異教徒》、《毀滅巫師》、《毀滅戰(zhàn)士》均由ID公司的DOOM引擎開發(fā)在此之前引擎只是作為一種自產(chǎn)自銷的開發(fā)工具，從來沒有哪家游戲商考慮過依靠引擎賺錢，Doom引擎的成功無疑為人們打開了一片新的市場第22頁/共47頁引擎的轉(zhuǎn)變（1994年～1997年）在引擎的進(jìn)化過程中，肯?西爾弗曼于1994年為3DRealms公司開發(fā)的Build引擎是一個(gè)重要的里程碑。由Build引擎開發(fā)第一個(gè)游戲是《毀滅公爵》，它已經(jīng)具備了今天第一人稱射擊游戲的所有標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，如跳躍、360°環(huán)視以及下蹲和游泳等特性，此外還把《異教徒》里的飛行換成了噴氣背包，甚至加入了角色縮小等令人耳目一新的內(nèi)容。在Build引擎的基礎(chǔ)上先后誕生過14款游戲，例如《農(nóng)夫也瘋狂》、《陰影武士》和《血兆》等，《七俠五義》Build引擎的授權(quán)業(yè)務(wù)大約為3DRealms公司帶來了一百多萬美元的額外收入，3DRealms公司也由此而成為了引擎授權(quán)市場上的第一個(gè)“暴發(fā)戶”。不過從總體來看，Build引擎并沒有為3D引擎的發(fā)展帶來任何質(zhì)的變化，突破的任務(wù)最終由idSoftware公司的《雷神之錘》（Quake）完成了第23頁/共47頁Quake引擎是當(dāng)時(shí)第一款完全支持多邊形模型、動畫和粒子特效的真正意義上的3D引擎，而不是Doom、Build那樣的2.5D引擎。此外Quake引擎還是連線游戲的始作俑者，盡管幾年前的《毀滅戰(zhàn)士》也能通過調(diào)制解調(diào)器連線對戰(zhàn)，但最終把網(wǎng)絡(luò)游戲帶入大眾的視野之中的是《雷神之錘》，是它促成了電子競技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

第24頁/共47頁一年之后，idSoftware公司推出《雷神之錘2》，一舉確定了自己在3D引擎市場上的霸主地位?！独咨裰N2》采用了一套全新的引擎，可以更充分地利用3D加速和OpenGL技術(shù)，在圖像和網(wǎng)絡(luò)方面與前作相比有了質(zhì)的飛躍Raven公司的《異教徒2》（HereticII）和《命運(yùn)戰(zhàn)士》（SoldierofFortune）、Ritual公司的《原罪》（Sin）、Xatrix娛樂公司的《首腦：犯罪生涯》（Kingpin：LifeofCrime）以及離子風(fēng)暴工作室發(fā)布的《安納克朗諾克斯》（Anachronox）都采用了QuakeII引擎。第25頁/共47頁《虛幻》（Unreal）正當(dāng)QuakeII獨(dú)霸整個(gè)引擎市場的時(shí)候，EpicMegagames公司（即現(xiàn)在的Epic游戲公司）的《虛幻》（Unreal）問世了。

除了精致的建筑物外，游戲中的許多特效即便在今天看來依然很出色，蕩漾的水波，美麗的天空，龐大的關(guān)卡，逼真的火焰、煙霧和力場等效果。從單純的畫面效果來看，《虛幻》是當(dāng)之無愧的佼佼者Unreal引擎可能是使用最廣的一款引擎，在推出后的兩年之內(nèi)就有18款游戲與Epic公司簽訂了許可協(xié)議，這還不包括Epic公司自己開發(fā)的《虛幻》資料片《重返納帕利》，其中比較近的幾部作品如第三人稱動作游戲《北歐神符》（Rune）、角色扮演游戲《殺出重圍》（DeusEx）以及永不上市的第一人稱射擊游戲《永遠(yuǎn)的毀滅公爵》（DukeNukemForever），這些游戲都曾經(jīng)或?qū)⒁@得不少好評第26頁/共47頁

Unreal引擎的應(yīng)用范圍不限于游戲制作，還涵蓋了教育、建筑等其它領(lǐng)域。DigitalDesign公司曾與聯(lián)合國教科文組織的世界文化遺產(chǎn)分部合作采用Unreal引擎制作過巴黎圣母院的內(nèi)部虛擬演示。ZenTao公司采用Unreal引擎為空手道選手制作過武術(shù)訓(xùn)練軟件，另一家軟件開發(fā)商VitoMiliano公司也采用Unreal引擎開發(fā)了一套名為“Unrealty”的建筑設(shè)計(jì)軟件，用于房地產(chǎn)的演示。第27頁/共47頁引擎的革命

游戲的圖像發(fā)展到《虛幻》這里已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)天花板的高度，接下去的發(fā)展方向很明顯不可能再朝著視覺方面進(jìn)行下去。前面說過，引擎技術(shù)對于游戲的作用并不僅局限于畫面，它還影響到游戲的整體風(fēng)格兩部劃時(shí)代的作品同時(shí)出現(xiàn)在1998年——Valve公司的《半條命》（Half-Life）和LookingGlass工作室的《神偷：暗黑計(jì)劃》（Thief：TheDarkProject）曾獲得無數(shù)大獎的《半條命》采用的是Quake和QuakeII引擎的混合體，Valve公司在這兩部引擎的基礎(chǔ)上加入了兩個(gè)很重要的特性：一是腳本序列技術(shù)，這一技術(shù)可以令游戲以合乎情理的節(jié)奏通過觸動事件的方式讓玩家真實(shí)地體驗(yàn)到情節(jié)的發(fā)展，這對于誕生以來就很少注重情節(jié)的第一人稱射擊游戲來說無疑是一次偉大的革命。第二個(gè)特性是對人工智能引擎的改進(jìn)，敵人的行動與以往相比明顯有了更多的狡詐，不再是單純地?fù)湎驑尶?。這兩個(gè)特點(diǎn)賦予了《半條命》引擎鮮明的個(gè)性，在此基礎(chǔ)上誕生的《要塞小分隊(duì)》、《反恐精英》和《毀滅之日》等優(yōu)秀作品又通過網(wǎng)絡(luò)代碼的加入令《半條命》引擎煥發(fā)出了更為奪目的光芒。

第28頁/共47頁在人工智能方面真正取得突破的游戲是LookingGlass工作室的《神偷：暗黑計(jì)劃》，游戲的故事發(fā)生在中古年代，玩家扮演一名盜賊，任務(wù)是進(jìn)入不同的場所，在盡量不引起別人注意的情況下竊取物品。

《神偷》采用的是LookingGlass工作室自行開發(fā)的Dark引擎，Dark引擎在圖像方面比不上《雷神之錘2》或《虛幻》，但在人工智能方面它的水準(zhǔn)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后兩者。游戲中的敵人懂得根據(jù)聲音辨認(rèn)你的方位，能夠分辨出不同地面上的腳步聲，在不同的光照環(huán)境下有不同的目力，發(fā)現(xiàn)同伴的尸體后會進(jìn)入警戒狀態(tài)，還會針對你的行動做出各種合理的反應(yīng)，你必須躲在暗處不被敵人發(fā)現(xiàn)才有可能完成任務(wù)，這在以往那些純粹的殺戮游戲中是根本見不到的。第29頁/共47頁受《半條命》和《神偷：暗黑計(jì)劃》兩款游戲的啟發(fā)，越來越多的開發(fā)者開始把注意力從單純的視覺效果轉(zhuǎn)向更具變化的游戲內(nèi)容。如《殺出重圍》第30頁/共47頁從2000年開始3D引擎朝著兩個(gè)不同的方向分化，一是如《半條命》、《神偷》和《殺出重圍》那樣通過融入更多的敘事成分和角色扮演成分以及加強(qiáng)游戲的人工智能來提高游戲的可玩性。二是朝著純粹的網(wǎng)絡(luò)模式發(fā)展，在這一方面，idSoftware公司再次走到了整個(gè)行業(yè)的最前沿，他們意識到與人斗才是其樂無窮，于是在QuakeII出色的圖像引擎的基礎(chǔ)上加入更多的網(wǎng)絡(luò)成分，破天荒推出了一款完全沒有單人過關(guān)模式的純粹的網(wǎng)絡(luò)游戲——《雷神之錘3競技場》（QuakeIIIArena），它與Epic公司稍后推出的《虛幻競技場》（UnrealTournament）一同成為引擎發(fā)展史上的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。第31頁/共47頁在1998年到2000年期間迅速崛起的另一款引擎是Monolith公司的LithTech引擎LithTech引擎的開發(fā)共花了整整五年時(shí)間，耗資700萬美元，1998年LithTech引擎的第一個(gè)版本推出之后立即引起了業(yè)界的主意，為當(dāng)時(shí)處于白熱化狀態(tài)下的《雷神之錘2》vs.《虛幻》之爭潑了一盆冷水。正是由于過于高昂的開發(fā)代價(jià)，2002年Monolith公司決定單獨(dú)成立一個(gè)LithTech公司，以LithTech引擎的授權(quán)許可作為主要業(yè)務(wù)，希望借此撈回一些成本。

2000年LithTech公司推出了引